Monade

Monade so matematični pojem, ki posplošuje algebrajske strukture, kot so grupa, kolobar in vektorski prostor. Hkrati pa se monade uporablja tudi v teoretičnem računalništvu in deklarativnem programiranju za opisovanje računskih učinkov. V tej lekciji bomo spoznali osnovno uporabo monad v programiranju.

Haskell je čist programski jezik in vse računske učinke predstavi z monadami. Programer lahko v Haskellu definira nove monade in z njimi simulira razne računske učinke. Tudi drugi programski jeziki imajo monade, le da niso neposredno dostopne programerju. Jeziki kot so OCaml, Java, C++ uporabljajo le eno monado, ki predstavlja vse računske učinke, podprte v jeziku (I/O, izjeme, stanje).

Računski učinki

Računski učinki so širok pojem, ki ga je težko povsem opredeliti. Lahko rečemo, da je računski učinek vsak pojav v programu, ki ni le preprosto procesiranje informacije. Med računske učinke štejemo:

• manjkajoča vrednost: program lahko ugotovi, da rezultat ne more izračunati, na primer, ker ena od vmesnih operacij ni definirana
• izjeme: program lahko nenadoma prekine izvajanje in javi napako ali vrže izjemo (throw, catch)
• vhod/izhod: program lahko komunicira z zunanjim svetom preko vhodnega in izhodnega kanala (input, print)
• stanje: program ima trenutno stanje, ki se spreminja, ko program teče (set, get)
• nedeterminizem: program lahko izbira med večimi možnostmi
• verjetnostno računanje: program lahko izbira med večimi možnostmi z verjetnostno porazdelitvijo
• timeout: izvajanje se lahko prekine, če traja predolgo

Poznamo pa še veliko drugih računskih učinkov.

Monade

Zgoraj našteti računski učinki so zelo raznoliki, a kljub temu imajo skupno strukturo, ki jo zajema pojem monade. Razložimo ga iz stališča programerja, ki želi simulirati računske učinke v “na roko”, se pravi v čistem jeziku.

Najprej ločimo med (čisto) vrednostjo (pure value) in izračunom (computation). Čista vrednost je podatek ali koda, ki nima nobenih računskih učinkov, izračun pa je koda, ki predstavlja rezultat in računske učinke.

Izračune predstavimo s podatkovnim tipom, ki izraža naravo računskih učinkov, ki jih lahko izračun sproži. Vsak računski učinek ali kombinacija učinkov ima svoj podatkovni tip.

Primer: Izračun, ki vrne rezultat tipa a ali pa razultata ni, predstavimo s tipom Maybe a.

Primer: Izračun, ki lahko izpisuje na standardni izhod, predstavimo s tipom (String, a).

Primer: Izračun, ki lahko bere s standardnega vhoda, predstavimo s tipom String -> a.

Primer: Izračun, ki ima stanje tipa s in rezultat tipa a, prestavimo s tipom s -> (s, a).

Nadalje ima vsak od teh tipov še dve operaciji:

1. Vedno lahko konstruiramo čisti izračun, ki predstavlja vrednost brez računskih učinkov.
2. Izračune lahko komponiramo tako kot funkcije, pri čemer se računski učinki ustrezno komponirajo.

Pri tem veljajo nekatere zakonitosti, ki jih bomo spoznali kasneje.

Monade v Haskellu

Vse do sedaj našteto je v Haskellu predstavljeno z razredi tipov:

• Functor
• Applicative
• Monad

Spoznali jih bomo na primerih in si ogledali v živo, kako delujejo.